旋转导向钻井系统下行通讯接收功能的开发.pdf

第 3 1卷第 1期 2 0 1 0年 1月 石 油 学 报 ACTA PETROLEI SI N I CA Vo I ． 31 No． 1 J a n ． 2 1 0 文 章 编 号 0 2 5 3 2 6 9 7 2 0 1 0 0 1 0 1 5 7 0 4 旋转导 向钻 井系统下行通讯接收功能 的开发 汤 楠 霍爱清 汪跃龙 程 为彬 西安石油大学陕西省钻机控制技术重点实验室 陕西西安7 1 0 0 6 5 摘要 在旋转导 向钻井 系统 中， 导向控制命令 是由地 面监控装置 通过系统 的下行通讯通道 向井 下导 向工 具发送。用钻 井液负脉冲 的方式传输下传信 号， 采取 了三降三升为主要特点 的命令字脉宽编码方式。地面命令发送装置将指令 转换成 一定脉 宽的钻井液排 量变化， 用 5位指令码表示相应的导 向力级别和5 - 具面角。在 井下导 向工具 中设 计 了下行 通讯接 收装置。 由装置 的数据采集部分 检测反 映钻 井液脉冲 变化 的井下泥 浆电机 的输 出电压或频率 ， 经数据处理和解释， 以信号阈值判断和脉宽 识别为核心 ， 由 5个指令 码的脉 冲宽度 时间和顺序计算得到正确 的下传导 向命令 字。为 了提高下行信号传输 的可靠性和抗干扰 能力 ， 在接 收装 置的硬件和 软件中采用 了相应 的措施 。试验结果证 明了这种下行通讯方案 的可行性 。 关键词 旋 转导向钻 井系统； 导 向工具； 下行通讯 ； 钻井液脉 冲； 接 收装置 中图 分 类 号 TE2 4 3 文献 标 识 码 A De ve l o pm e nt of do wnwar d c om muni c at i on r e c e i vi ng f unc t i o n i n r o t a r y s t e e r a b l e d r i l l i n g s y s t e m TANG Na n H UO Ai q i ng W ANG Yue l on g CH ENG W e i bi n S h a a n x i Ke y La b o r a t o r y o f Dr i l l i n g Ri g Co n t r o l l i n g Te c h n i q u e，Xi ’ a n S h i y o u Un i v e r s i t y，Xi ’ a n 7 1 0 0 6 5 。C h i n a Abs t r a c t I n t he r ot a r y s t e e r a b l e d r i l l i ng s ys t e m ，t he r e i s a d own wa r d c o mmun i c a t i on c ha nn e l t o s e nd t h e gu i d a nc e c on t r o l c omman d f r o m t he g r oun d mo ni t o r t O t he d own ho l e s t e e r i ng t o o1 ． The ne g a t i v e pu l s e o f d r i l l i ng f l ui d t r a n s mi t s a d ownwar d c omma nd mo de e nc od e d b y t he t hr e e de s c e nd i n g a nd t hr e e as c e nd i ng wo r ds ． A c o mma nd s e nd i n g de v i c e o n t h e gr ou nd t r an s mi t s t he c o mma nd mo de i n t o f l o w r a t e of dr i l l i n g f l ui d，whi c h i s c h a ng i n g wi t h a c e r t a i n pu l s e wi d t h of dr i l l i ng f l u i d．A c o nt r ol wor d c o mp os e d of f i v e i ns t r u c t i o n c o de s r e pr e s e nt s t he gr a de o f g ui di ng f o r c e a n d a ngl e of t ool f a c e ．The r e i s a d ownwar d r e c e i v i n g de v i c e i n t he do wn ho l e s t e e r i n g t o o1 ． The da t a a c q ui s i t i on un i t o f t he d e vi c e c a n d e t e c t t he out p ut v ol t a ge or f r e qu e nc y o f t he d own ho l e f l u i d mo t or t ha t r e f l e c t s t he p u l s e f l o w c h a n g e o f d r i l l i n g f l u i d ．Th e d a t a p r o c e s s i n g a n d i n t e r p r e t a t i o n s o f t wa r e b a s e d o n s i g n a l t h r e s h o l d j u d g me n t a n d p u l s e wi dt h i d e nt i f i c a t i on c a n p r o c e s s t he r e c e i v e d i n f or ma t i on ．The n a r i ght gui d i n g c ont r o l c omman d c a l c ul a t e d u s i ng t he p ul s e wi dt h a nd t he s e q ue n c e of t h e 5 c ode s c oul d be ob t ai n e d．Se v e r a l di f f e r e nt me a s u r e s we r e us e d i n t he r e c e i v i ng de vi c e f or i mpr o vi ng t he r e l i a bi l i t y a nd a nt i i n t e r f e r e nc e pe r f o r ma nc e o f do wn wa r d s i gn a l t r a ns m i s s i o n．Exp e r i me n t a l r e s u l t s s howe d t he f e a s i b i l i t y o f t hi s d ownwa r d t r an s m i s s i o n s c he m e ． Ke y wo r ds r o t a r y s t e e r a bl e dr i l l i n g s y s t e m ；s t e e r i n g t o ol ；d ownwa r d c ommu ni c a t i on；d r i l l i n g f l ui d p ul s e；r e c e i v i ng de v i c e 旋转 导 向技 术是 一项涉 及 多学科 多领域 的现代钻 井新 技术 ， 代表 了现 代钻 井 工 程 的研 究 重 点 和 发展 趋 势l 1 ] 。旋转 导 向钻 井 系 统 在工 作 时 ， 由地 面 监 控装 置 对井 下钻井 工具 发 出控 制命 令 ， 采用 全 旋 转 的 调制 方 法产 生导 向钻井所 需要 的具 有一定 方 向和大 小 的导 向 力 ， 从 而实 现井 眼 轨 迹 的 自动 控 制E 2 ] 。旋 转 导 向 系统 主要 由井下 旋转导 向工具 、 双 向通 讯 系 统 和 地 面监 控 装置 3部分 组成口 ] 。 一 般情 况下 ， 系统 中从 井 下 到地 面 的 上 行通 讯 可 以利用 井下 已有 的 MwD 随钻测 量 系统 的通 讯通 道 完成 ] 。而下行 通 讯 与 上行 通 讯 在 传输 特 性 、 检 测 方 式 和通讯 内容 上都 有 很大 区别 ， 井 下 导 向工具 特 殊 的 工作 方式 和工作 环境使 旋转 导 向系统 下行通 讯通 道研 究成 为旋转 导 向系统 的关键 技术 之一 。 在钻井 工程 及其 相 关 研究 领 域 中 ， 常 用 的地 面 向 井下 的数据 传输 方式有 钻井 液脉 冲 、 电缆 、 声 波和 电磁 波 4种 。综 合考 虑旋转 导 向钻井 系统下 行通讯 传输 的 深度 、 速率 、 可靠 性 的实 际需 求及 井下工 具 的工作特 点 等因素， 采用钻井液脉冲方式实现下行数据传输不失 为较 为合理 的选择 。为 了可 以在 不改变 现有钻 井 工 艺和对 实 际钻井 导 向操 作 影 响较 小 的前 提 下 ， 正 确 地 为井 下工具传 输地 面 监 控命 令 ， 研 究 中采用 了基 于 钻 井 液 负脉 冲的 下 行通 讯 方 式 l 7 ] 。 目前 国 外 的 泥 浆 脉 冲下传通讯 技术 已经 比较成 熟 ， 并 且 已经 在钻井工 基金项 目 国家 高技术研究发展计划 8 6 3 重 大专项 2 0 0 3 AA6 O 2 O 1 3 、 中国石油天然 气集 团公 司创新基金项 目 0 7 El O 1 4 和陕西省 自然科学基 金研 究计划 S J 0 8 2 E 1 6 联合资助 。 作者简介 汤楠 ， 男 ， 1 9 5 6年 1月生 ， 1 9 8 2年毕业于西南交通大学 自动控制专业 ， 现 为西安石油大学 电子 工程学院 自动化系教授 ， 主要 从事过程控 制和计算机工业控制等方面的教学和科研工作 。 E ma i l n t a n g x s y u ． e d u ． c n 1 5 8 石 油 学 报 2 0 1 0年第 3 1卷 程上得到了应用 。 ， 但是其中的具体编码方式和解 码 方法 等 关键 技 术 并 无 公 开 的 资 料 发 表 。 因此 ， 钻 井液脉冲下行通讯技术 ， 特别是其井下接收功能， 一 直是 国 内旋转 导 向 钻井 系 统研 究 的 一个 重 点 。充 分 考虑到指令 传输 时间 、 钻 井 工艺 的 可行 性 和井 下识 别 准确性 的要 求 ， 设计 了一种简单 易行 的、 以钻井 液排量 及 压力三 降三升为核 心 的指 令 编码 传输 方 案 ， 并 在 井 下 工具控制 电路 中开发 了相应 的数据信 息接收装 置的 软 、 硬 件 。 1 下行通讯 系统工作原理 导向钻井 泥 浆 脉 冲信 号 传 输 与 MWD 中的 信 号 传输在 原理上有 一定 的相 似性 ， 但 二 者在 信 号传 输方 式和检 测方法上存 在着许 多不 同之处 。钻井液 脉 冲波 的传输过程 ， 实 际上是 一 种能 量 的转 换过 程 。在该 下 行通迅传输方案中， 完成相关任务的信息下行通讯系 统 由与地面监 控装置 相 连 的负脉 冲发生 器 、 安装 在 井 下工 具 中的数 据接收装 置和作 为传 输通道 的钻柱 等部 分组成 。负脉 冲发生器通 过对钻井 主管分 流脉冲 阀的 控制 ， 在钻柱 中产 生约 2 O ％的钻井 液排 量变 化及 相应 的压力脉 冲 。下行 传 输数 据 以脉 宽 时间 为 编码基 础 ， 每条指令 由3个下降沿和 3个上升沿组成的压力波变 化过程构成 ， 如 图 1所示 。 时 间 ／ s 图 1 下传 指 令 编 码 示 意 图 Fi g． 1 The s c h e m a t i c d i a g r a m o f d o wn wa r d c o m m a nd e nc o d i ng 设 为正 常排量 下的钻 井 液压力 ， 压 力下 降 到原 排量的 8 0 ％时为一次下降， 而压力恢复到原排量时为 一 次上 升 。设 ，，为 一 固定 约定 时 间 例 丁一3 0 S ， 井 下接 收装 置 得 到 5个 脉 冲， 分 别 求 取 脉 宽 时 间 i 3 3 T 与丁 的倍数 关 系 m1 、 m2 、 m3 、 m4和 5 ， 即 可构 成 5 位 指令码 ， 再 由控制 运算 软 件解 释 为代 表 不 同工 具面 角和导向力等级的导向控制命令_ 2 。 为 了保证 控制 和驱动 电路 的正 常运 行 ， 井 下导 向 钻井工具中备有永磁式泥浆涡轮发电机 。钻井液 排量和发 电机涡轮两端压差的变化会引起发电机输出 电压 和频 率 的相 应 变化 。因 此 ， 可 以通过 检 测发 电机 的输 出来 达到接 收地 面下 传指 令 的 目的， 而不 必 在井 下再专 门设置压力 或流量传 感器 。 由此可见 ， 所设 计 的这 种下 行通 讯 信号 井 下接 收 技术 的关 键在 于对三 降三升所形 成 的 5 个 脉 冲的脉 宽 时间实现正确识别和计 时， 再按顺序将计时值解释为 相 应 的指 令码 。为 了保证 该通迅 方案在钻井 工程 中的 实用性和可靠性， 脉 冲的阈值识别须有一定的随钻井 液排 量变化 的 自适应 能 力 ， 脉宽 计 时须 有 一定 的 钻井 液压 力脉宽 时间误 差裕 量 ， 即 整个 系统 须 有较 强 的抗 干扰 能力 。 2 下行通讯接收功能原理设计 全旋 转导 向钻井工 具 中设 计 了一 种 双 C P U 的控 制电路 。主 C P U完成 工具的 自动导向控制运算及基本 的数据采集 和处理 ] ； 辅助 C P U主要 完成 一些辅 助参 数 的数据采集 、 处理 和存储工 作 ， 并 通过 串口与主 C P U 进行必要 的数据交换 。根据这个整体 方案 ， 下行通讯接 收的检测 、 识 别 、 计 时和解释 任务将 由辅 助 C P U 及其相 关电路完成 ， 得到 的最 终 地 面监 控命 令 码 再通 过 中断 方式由串口送主 C P U， 产生相应的控制作用。 虽然是通过电压二值变化来传输数据， 但钻井液 的压力脉 冲波在传 输过程 中受到 黏性阻力 和管路 系统 的影 响 ， 仍会 产生 明显 的衰 减和 畸变 。理 论上 可 以考 虑采用硬件施密特触发器 ， 通过固定的阈值电压识别 一 ～ 一 ～ 一 一 ～ 一 一一 一 卮 纷 机 输 轼 泥 ， 一 一 ．， ． 表 州 ； 一 佗 ” 侣 孙 为 耕 耕 ～ 一一 一 句 尼 毛 兰 皿] 一钻 一 ％ O 8 誉、 蹬 石 油 学 报 2 0 1 0年第 3 1卷 手动产 生 ， 应对所产 生 的钻 井液 脉 冲宽 度 时 间留有 一 定的裕 量 ， 通过程序 保证最终 接收数 据的值 。例如 ， 设 T3 0 s ， 若对时 间 给予 2 0 ％ T的裕 量 ， 则 当脉宽 为 2 4 3 6 s时 ， 都 应 该 有 整 数值 m． 1 ； 当 脉宽 为 5 4 ～ 6 6 s 时， 则 m。 一2 。完成此取整运算的 C 5 1 指令为 。 一 i n t m 0． 6 1 当 T 2 4 s或 3 6 s T 0 ． 4和 mi n t m 0 ． 6 2 当脉 宽条件更 宽容 时 ， 也 可将符 合 z i n t 竹 z 0 ． 6条件 的 都 按小数位 舍去 的方 法取整处 理 。 但过窄和过宽的脉宽 ， 应该是 由干扰或其他非正 常作用 引起 的 钻井 液 排 量 变化 ， 必须 进 行 剔 除 处 理 。 但 二者 的处 理方 法有 所 不 同 当 m ≤0时 ， ”不 变 ， 不 能停止或启 动计时 器 ， 即过 窄 的脉 冲干 扰 不能影 响原 指令码 的接 收 ； 当 m， ≥ 1 0时 ， 清 零 ， 即本 次 接 收 作 废 ， 程序重新等待指令码的传送。因此 ， 按这种方案设 计 的下行传送 的指令 码 中没 有数 字 0 ， 即 m， 为 1 ～9 。 实 际上 传送 的 5位指令码 足 以表示 导 向命 令状态及其 校验信 息 ， 如果一 定需要有 0位传送 ， 可 以考 虑用 T一 1 2 4 1 8 s 来表示 。 在下行通讯接收软件的设计中 ， 从电平和脉宽两个 方面考虑 ， 减少了干扰信号对指令传输可靠性的影响。 实际传输的命令字应该是一个 5位的十进制数 ， 所 以每位指令 码 m。 接 收成 功后 需要 按 先后 顺序 拼 人 命令字中， 当 5时得到完整的下传监控命令字 。 图 4所示是下行通讯接收功能模拟试验的一组代 表一个 下传命令 字的输入 电压信 号 。 、 磴 罾 图 4 模 拟 试 验 输入 信 号 Fi g． 4 I npu t s i g n a l o f s i mul a t i o n e x pe r i me nt 三降三升的脉宽信号表示了下传命令， 信号中既 含周期 性低频 干扰 ， 也 含有高频 随机干扰 ； 既含尖 峰干 扰 ， 也有脉宽较宽的电平干扰； 同时还存在脉宽时问不 够准确的缺陷。上述接收方案能准确地接收信号， 并 根据脉宽解释出 5位指令码组成的实际监控命令字 1 2 2 11 。 4 结 论 钻井液脉冲三降三升的编码 方式是实现导向钻井 系 统下行指令信号传输 的一种简单可行的方法。井下导 向 工具中的下行指令接收功能可以在井下工具中的控制电 路部分由相应的软硬件实现。 通过对井下泥浆电机输出 电压的数据采集 ， 井下 C P U 可以检测到钻井液排量的变 化 。导向钻井系统下行通讯软件 的关键是实现输入电压 的阈值判断 ， 并对脉宽进行计时处理。 钻井现场 的钻井 液 压力脉冲在传输过 程中存在较 多的干扰 ， 井下接收装置 中需要采取有效方法提高传输可靠性。 参 考 文 献 [ 1 ] 张绍槐． 现代导 向钻井技术 的新进展及发展方 向E J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 3， 2 4 3 8 2 ～ 8 5 ． Zh a n g Sh a o h ua i ．Ne w p r o gr e s s a nd d e v e l o p me n t d i r e c t i o n o f mo d e r n s t e e r i n g d r i l l i n g t e c h n i q u e s [ J ] ．Ac t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 0 3， 2 4 3 8 2 ～ 8 5 ． [ 2 ] 李琪 ， 杜春文 ， 张绍槐． 旋转导 向钻井轨 迹控 制理论及应用技 术 研究[ J ] ． 石油学报， 2 0 0 5 ， 2 6 4 9 7 1 0 1 ． L i Qi ， D u Ch u n we n ， Z h a n g S h a o h u a i ． We I l t r a j e c t o r y c o n t r o l t h e ～ o r y f o r r o t a r y s t e e r i n g d r i l l i n g s y s t e m a n d a p p l i e d t e c h n i q u e s [ J ] ． Ac t a P e t r o l e i Si n i c a， 2 0 0 5， 2 6 4 9 7 1 01 ． [ 3 3 韩来聚 ， 孙铭新 ， 狄勤 丰． 调制式旋转导 向钻井 系统 工作原理研 究_ J ] ． 石油机械 2 0 0 2 ， 3 0 3 7 9 ． Ha n La ij u， S u n Mi n g x i n， Di Qi n f e n g ． Pr i n c i p l e o f p o we r d r i v e r o ～ t a r y s t e e r i n g d r i l l i n g s y s t e m[ J ] ． C h i n a P e t r o l e u m Ma c h in e r y ， 2 0 0 2， 3 0 3 7 - 9 [ 4 ] 闫文辉 ， 彭 勇， 张绍槐， 旋转导 向钻井工具 的研 制原理[ J ] ． 石油 学 报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 5 9 4 ～ 9 7 ． Ya h W e n h u i ，P e n g Yo n g，Z h a n g S h a o h u a i ．Me c h a n i s m o f r o t a r y s t e e r i n g d r i l l i n g t o o l [ J ] ． Ac t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 0 5 ， 2 6 5 9 4 9 7 ． [ 5 ] 卢春华 ， 张涛 ， 李海东． 泥浆脉冲 随钻测量系统研究 [ J ] ． 地 质科 技情报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 增 刊 3 0 ～ 3 2 I u Ch u n h u a． Zh a n g Ta o． Li Ha i d o n g ．M u d p u l s e m e a s u r e me n t wh i l e d r i l l i n g s y s t e m J ] ． Ge o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n f o r ma t i o n， 2 0 0 5， 2 4 Su p p l e m e n t 3 0 3 2 ． [ 6 ] 刘修善 ， 苏义脑． 地面信号下 传系统 的方 案设计[ J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 0， 2 1 6 8 8 9 2． Li u Xi u s h a n ，S u Yi n a o ．Sc h e me d e s ig n o f d o wn wa r d s i g n a l i n g s y s t e m[ J ] ． Ac t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 0 0 ， 2 1 6 8 8 9 2 ． [ 7 ] 李琪 ， 彭元超 ， 张绍槐， 等． 旋转导向钻 井信号井下传送技术研究 _ J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 4 1 0 8 1 1 1 Li Qi ， Pe n g Yu a n c h a o， Z h a n g S h a o hu a i ， e t a 1 ．S t u d y o n s i g n a l t r a n s mi s s i o n t e c h n i q u e i n r o t a r y s t e e r i n g d r i l l i n g [ J ] ． Ac t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 0 7， 2 8 4 1 0 8 1 11 ． [ 8 ] F i n k e M D， P i l l a i B K， S u n C L ， e t a 1 ． Do w n l in k t e l e me t r y s y s t e r n US ， 6 9 2 0 0 8 5 [ P ] ． 2 0 0 5 ～ 0 7 1 9 ． [ 9 ] Tr e v i r a n u J ， Do e r g e H， Ku r e l l a M．Me t h o d a n d a p p a r a t u s f o r d o wn l i n k c o mmu n i c a t i o n US ， 7 5 1 8 9 5 0 [ P ] ． 2 0 0 9 0 4 1 4 ． [ 1 0 ] Gr u e n h a g e n H H． Ap p a r a t u s a n d me t h o d f o r s e l f a d j u s t i n g d o wn - l i n k s i g n a l c o mmu n i c a t io n US ， 5 9 6 3 1 3 8 [ P ] ． 1 9 9 9 1 0 - 0 5 ． [ 1 1 ] Mo r ia r t y K八 R o t a r y d o w n l i n k s y s t e m US ， 7 2 9 8 2 8 5 [ P ] ． 2 0 0 7 - 1 1 - 2 0 ． [ 1 2 ] 汤楠， 穆 向阳． 调制式旋转导向钻井工具稳定平 台控制机构研究 [ J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 1 0 3 ， 2 5 3 9 1 2 ． Ta n g Na n， M u Xi a n g y a n g ． S t u d y o n t h e p l a t f o r m s t a b i l i z i n g c o n t r o ] me c h a n i s m o f mo d u l a t i n g r o t a r y s t e e r a b l e d r i l l in g t o o l [ J 3 ． Oi l Dr il l i n g Pr o d u c t i o n Te c h n o l o g y ， 2 0 0 3， 2 5 3 9 1 2 ． 收稿13 期2 0 0 9 0 2 1 4 改回日 期2 0 0 9 0 6 2 0 编辑 仇学艳 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载